水環(huán)境中微塑料的危害及防治

崔鐵峰 廖晨延 崔彤彤 李子竹 張杰 魯玉蝶 王宏偉

摘?要：梳理、分析現(xiàn)有文獻與研究成果，從微塑料的毒性效應(yīng)、微塑料富集微生物和動植物所引發(fā)的生態(tài)效應(yīng)、加劇水體中環(huán)境激素污染、微塑料富集多種污染物所引發(fā)的聯(lián)合毒性效應(yīng)等方面介紹了微塑料對水生生態(tài)系統(tǒng)的危害，綜述了現(xiàn)階段水域微塑料防治措施包括：源頭上減少塑料制品的生產(chǎn)，研發(fā)可降解塑料并投入使用，建立并完善水環(huán)境中微塑料研究方法體系、研發(fā)和改進相關(guān)技術(shù)與設(shè)備。

關(guān)鍵詞：微塑料;毒性效應(yīng);生態(tài)效應(yīng);吸附作用;防治

微塑料為直徑小于5 mm的塑料碎片和顆粒[1]， 中國啟動“海洋微塑料監(jiān)測和生態(tài)環(huán)境效應(yīng)評估技術(shù)研究”項目并將該項目列為科技部“十三五”國家重點研發(fā)計劃“海洋環(huán)境安全保障”重點專項之一[2]。微塑料是形狀各異的非均勻塑料顆?；旌象w，由塑料垃圾經(jīng)過各種形式的降解作用分解而成，在化學(xué)成分上與塑料制品基本一致。近年來隨著塑料制品在全球范圍內(nèi)的大量使用，海洋、淡水環(huán)境中的塑料垃圾污染問題也日益嚴峻。相比于“白色污染”塑料，微塑料體積小，肉眼難以辨別，其對水生生態(tài)環(huán)境的破壞也是無形之中悄然進行的，對于環(huán)境的危害程度更深。微塑料種類繁多，根據(jù)其外部形貌可主要分為碎片型、顆粒型、纖維型、薄膜型四類;根據(jù)其材質(zhì)類型大體可分為乙烯（PE）、聚苯乙烯（PS）、聚丙烯（PP）、聚酯（PEst）和聚對苯二甲酸類（PET）、聚氯乙烯（PVC）等，其形態(tài)特點和材質(zhì)類型的多樣也增加了微塑料對生態(tài)環(huán)境危害的復(fù)雜程度。

1?微塑料對水生生態(tài)系統(tǒng)的危害

1.1?微塑料的毒性效應(yīng)

微塑料是自然界本不存在的、人工合成的化學(xué)物質(zhì)，其自身的化學(xué)成分在水環(huán)境中的暴露會對水生生物產(chǎn)生一定的毒性效應(yīng)，此外，微塑料表面易吸附水體中其它污染物，多種污染物的結(jié)合導(dǎo)致復(fù)合毒性的出現(xiàn)。又由于其體積小、疏水性強，故易吸附于生物體表面或被小型水生生物誤食，使其毒性效應(yīng)從食物鏈底端開始積累、富集，并沿食物鏈傳遞、放大，進而威脅到整個水生生態(tài)系統(tǒng)。

1.1.1?行為毒性?微塑料的攝入會對生物個體的行為特征造成影響。研究發(fā)現(xiàn)，橈足類湯氏紡錘水蚤幼體暴露在45 μm的塑料微球中，其游泳行為出現(xiàn)異常，甚至出現(xiàn)“跳躍”反應(yīng)[3]。此外，關(guān)于微塑料對中華絨螯蟹的負面影響的研究發(fā)現(xiàn)，甲殼動物的鰓組織與外界水環(huán)境直接接觸，極易富集水環(huán)境中的微塑料。微塑料在中華絨螯蟹鰓組織中富集后，會影響鰓組織中的離子轉(zhuǎn)運，長時間暴露在一定濃度微塑料的水環(huán)境會顯著抑制鰓中各ATP酶的活力，進而對中華絨螯蟹的各項生長行為指標造成影響[4]。另有研究表明，微塑料暴露會嚴重影響生物體的正常攝食行為，生物的攝食行為受到影響，將直接影響生物體正常的生長發(fā)育，這一點將在生長發(fā)育毒性中做詳細介紹。

1.1.2?生長發(fā)育毒性?微塑料攝入會對生物體的生長發(fā)育產(chǎn)生負面影響。生物主要通過攝食獲取營養(yǎng)，而毫無營養(yǎng)的微塑料被水生生物誤食進入體內(nèi)后會在生物體的消化道中聚集、積累并阻塞消化道，動物會由此產(chǎn)生飽腹感，開始減少攝食，最終導(dǎo)致機體生長所需能量來源補充不足，從而影響生物體的生長發(fā)育。微塑料對生物的生長發(fā)育毒性已被大量研究證實，將海膽暴露在不同濃度的聚乙烯微球中，研究結(jié)果表明，微球暴露濃度越高，海膽攝入微球數(shù)量越多，海膽體形越小[5]。

1.1.3?生殖毒性?生物個體長期生活在微塑料暴露的環(huán)境中會對其生殖行為造成一定影響，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：產(chǎn)卵量下降、生殖細胞質(zhì)量下降、孵化率下降。 Cole M等將哲水蚤在20 μm的聚苯乙烯微塑料中暴露6 d后，哲水蚤所產(chǎn)卵的質(zhì)量明顯下降，孵化成功率顯著下降[6]。這些現(xiàn)象的出現(xiàn)可能與微塑料對水生生物消化系統(tǒng)及內(nèi)分泌系統(tǒng)的干擾作用有關(guān)。塑料生產(chǎn)過程中許多添加劑是內(nèi)分泌干擾物，生物長期暴露于一定微塑料濃度中會造成機體內(nèi)分泌的紊亂，進而影響其生殖能力。相關(guān)研究表明，合成塑料制品所用到的鄰苯二甲酸酯和雙酚A等塑化劑通過干擾動物的內(nèi)分泌影響其發(fā)育和繁殖過程[7]。

1.1.4?免疫毒性?微塑料在生物體內(nèi)的富集會刺激體內(nèi)免疫系統(tǒng)，產(chǎn)生免疫毒性。機體對微塑料的免疫敏感性與微塑料的性狀有關(guān)，表面形狀不規(guī)則的微塑料顆粒要比表面平滑的微塑料顆粒更能引起機體的免疫反應(yīng)，粒徑小于16 μm的微塑料會轉(zhuǎn)移到貽貝淋巴系統(tǒng)，造成溶酶體膜的不穩(wěn)定，進而引起機體免疫系統(tǒng)的炎癥反應(yīng)[8]。將水生生物暴露在一定濃度的微塑料水環(huán)境中一段時間，其肝臟組織病理損傷水平增加 [9-10]。

1.1.5?基因及遺傳毒性?有少量研究發(fā)現(xiàn)微塑料吸附某種有毒物質(zhì)后會對水生生物產(chǎn)生基因毒性效應(yīng)。將暴露在100 μm、1.5 g/L吸附有多環(huán)芳香烴（PAHs）的PS和PE中的紫貽貝的DNA分子進行檢測，發(fā)現(xiàn)部分DNA存在斷鏈現(xiàn)象[11]。此外，一定濃度的微塑料環(huán)境下，水生生物的基因表達水平也會受到影響。

1.2?微塑料富集微生物所引發(fā)的生態(tài)效應(yīng)

近年來，“微塑料+微生物”的生態(tài)效應(yīng)開始受到人們的關(guān)注，成為微塑料生態(tài)效應(yīng)研究的新興熱點話題。微塑料物理、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，且易吸附水體中的無機營養(yǎng)鹽、有機物，為水體中微生物生存提供了適宜的棲息環(huán)境。各類細菌在微塑料的表面增殖形成菌落，并隨著微塑料在水體中的遷移發(fā)生擴散。此外，微生物在微塑料表面形成的生物膜結(jié)構(gòu)使微塑料的疏水性減弱、在水體中黏性和所受浮力均發(fā)生改變，導(dǎo)致部分微塑料發(fā)生沉降，最終以沉積物的形式存在于底泥中。微塑料橫向上的遷移和縱向上的沉降拓寬了附著其上的微生物的生存領(lǐng)域，是微生物“移民”的良好載體。

Keswani等（2016）進行的相關(guān)研究表明溶藻弧菌可大量黏附在聚乙烯等材質(zhì)微塑料上[12]并隨之發(fā)生擴散。

微生物間基因交流頻繁，而同一粒微塑料上富集的微生物往往不止一種，不同菌種間的基因重組會可能導(dǎo)致新型物種的產(chǎn)生，致病菌基因交流所產(chǎn)生的新型物種更會對水生生物的生存造成威脅。此外，隨著抗生素在各個領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，水體中抗生素污染狀況嚴重，導(dǎo)致抗性基因和抗病菌的出現(xiàn)。當前研究表明，廢水處理廠下游水體中富含耐藥菌[13]。某一水域中耐藥菌附著于微塑料表面并隨水體遷移到其它水域，將會導(dǎo)致該耐藥菌及其攜帶的抗性基因在水域空間上的擴散，最終導(dǎo)致抗性基因在環(huán)境中的泛濫。

綜上，微塑料富集微生物所引發(fā)的生態(tài)效應(yīng)多樣且復(fù)雜，這與二者自身獨特的性質(zhì)密切相關(guān)。微生物隨微塑料遷移將導(dǎo)致物種入侵、基因交流、抗性基因泛濫、產(chǎn)生新型物種等一系列生態(tài)效應(yīng)，進而危害水生生態(tài)系統(tǒng)的健康。

1.3?微塑料富集動植物所引發(fā)的生態(tài)效應(yīng)

微塑料疏水性強的特點使其在水體環(huán)境中易富集磷、氮等無機營養(yǎng)鹽，且自身性質(zhì)穩(wěn)定，適合浮游植物的生存。若有害藻種附著于微塑料表面并隨之遷移，一旦漂移至適合其繁殖的環(huán)境，便會呈現(xiàn)爆發(fā)性繁殖狀態(tài)，造成赤潮、水華等環(huán)境問題，對水體性質(zhì)、水域中其它生物的生存造成威脅[13]。

1.4?加劇水體中環(huán)境激素污染

環(huán)境激素（Environmental hormones）是一類通過干擾生物體內(nèi)分泌功能進而對生物體及其后代的生長發(fā)育產(chǎn)生不利影響的外源性化學(xué)物質(zhì)。具有類似雌性激素功能，生物體暴露在一定濃度的環(huán)境激素中，會導(dǎo)致其生殖能力下降，免疫力降低，出現(xiàn)各種生殖異?，F(xiàn)象[14]。環(huán)境激素脂溶性強的物理性質(zhì)使其易吸附于水體中懸浮顆粒表面且具有生物蓄積性。壬基酚、酚甲烷化合物是典型的環(huán)境激素，同時也是塑料制品生產(chǎn)過程中的重要原料、它們將伴隨著塑料制品的遷移在水體中擴散[15]。微塑料是塑料制品的碎片形式，自身本就含有壬基酚等環(huán)境激素成分，加之比表面積大、疏水性強，是水環(huán)境中包括各類環(huán)境激素在內(nèi)的脂溶性物質(zhì)的優(yōu)良附著物。相比于“白色垃圾”，微塑料體積小，易被小型生物誤食，這也造成其上附著的環(huán)境激素在低級營養(yǎng)級的積累。此外，微塑料表面物質(zhì)的大量富集最終導(dǎo)致其以沉積物的形式穩(wěn)定存在于水體底部，環(huán)境激素也隨之在水體底部沉積，并在底棲動物體內(nèi)富集，并沿食物鏈流動，通過生物積累、生物濃縮、生物放大等途徑對水生生態(tài)系統(tǒng)造成危害。

1.5?微塑料富集多種污染物所引發(fā)的聯(lián)合毒性效應(yīng)

現(xiàn)階段國內(nèi)外關(guān)于微塑料單一毒性的研究已較為成熟，但有關(guān)微塑料與其它污染物復(fù)合毒性的研究較少。有學(xué)者將實驗室購買的用于單一毒性研究的微塑料與自然環(huán)境下水體中提取的相同材質(zhì)微塑料的毒性程度進行對比，結(jié)果顯示自然環(huán)境來源的微塑料毒性效應(yīng)更強。不考慮其它因素，僅從微塑料的成分保留程度進行分析，購買來的微塑料未經(jīng)水體浸泡，自身化學(xué)成分的保留程度要比水體中提取的微塑料高，理論上講購買來的微塑料毒性要高于自然環(huán)境來源的微塑料。實驗結(jié)果與分析相反，說明微塑料對環(huán)境中其它疏水性物質(zhì)的富集作用加劇了對生物的毒性效應(yīng)[16]。Prata等通過檢測藻類植物Tetraselmis chuii（T.chuii）分別暴露在一定濃度的微塑料、藥物普魯卡因胺、藥物強力霉素中與暴露在三者同時存在的環(huán)境下比生長率（生長率）和葉綠素a濃度（葉綠素）的變化程度，探究微塑料、普魯卡因胺、強力霉素三者的復(fù)合毒性。實驗結(jié)果表明，塑料微粒本身沒有顯著影響T. chuii的生長率和葉綠素濃度，即沒有產(chǎn)生顯著的毒性效應(yīng);普魯卡因胺、強力霉素在低濃度范圍內(nèi)對T. chuii均具有毒性效應(yīng);而微塑料-藥物混合物的毒性比單獨的藥物毒性更大[17]。

2?水域微塑料的防治

2.1?源頭上減少塑料制品的生產(chǎn)

聯(lián)合國環(huán)境署（UNEP）與全球資源信息數(shù)據(jù)庫于2017年7月24日公布了雙方共同參與制作的《海洋垃圾圖式報告》。報告探究了“微塑料”的全球性分布，旨在呼吁人們提升對微塑料污染的重視程度并及時采取防治措施。在源頭上，UNEP督促各國根據(jù)本國國情制定限制塑料制品使用的相關(guān)政策，如：限制化妝品中塑料顆粒的添加、對塑料袋進行征稅、禁止塑料袋的使用[18]。

2.2?研發(fā)可降解塑料并投入使用

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展、生產(chǎn)可降解塑料并將其商品化成為未來塑料制品行業(yè)的發(fā)展趨勢。 加拿大?？怂芰希‥coplastics）有限公司利用烯類單體與乙烯基酮共聚與塑料成分光降解技術(shù)，生產(chǎn)了一系列光降解聚烯類樹脂 ，現(xiàn)已將其商品化生產(chǎn)并將商品命名為“Ecolytel”?，F(xiàn)階段我國在光降解塑料研發(fā)領(lǐng)域發(fā)展迅猛，LC系列光敏型地膜系列塑料制品現(xiàn)已投入市場使用[19]。

2.3?建立并完善水環(huán)境中微塑料研究方法體系、研發(fā)和改進相關(guān)技術(shù)與設(shè)備

微塑料污染是近年來逐漸引起廣泛關(guān)注的環(huán)境污染問題，屬于新型環(huán)境污染物，故關(guān)于各流域、海域微塑料污染分布規(guī)律的相關(guān)調(diào)查尚處于起步階段，國內(nèi)外關(guān)于微塑料監(jiān)測與毒性效應(yīng)評估的方法學(xué)體系也有待完善。

2.3.1?完善微塑料監(jiān)測的方法體系、提升監(jiān)測技術(shù)水平

監(jiān)測水域中微塑料的過程大致分采樣、分選、鑒定、分析四個階段。通過閱讀大量文獻，對現(xiàn)階段國內(nèi)外水環(huán)境微塑料監(jiān)測的方法與技術(shù)上存在的問題進行了總結(jié)，為完善微塑料污染的治理體系提供參考。

微塑料在水域的分布受季節(jié)、水域深度等多方面因素影響，因此針對不同特點的水域環(huán)境需采取適當?shù)牟蓸庸ぞ吆头椒?，以降低調(diào)查結(jié)果的偶然性從而增強數(shù)據(jù)的說服力，故針對不同水域建立統(tǒng)一的采樣標準尤為重要。然而，現(xiàn)階段國內(nèi)外還未對塑料采樣過程所用方法及工具做統(tǒng)一規(guī)定，深度、采樣地點、采樣面積、取樣體積、網(wǎng)端口大小等具體參數(shù)缺乏統(tǒng)一標準。

在微塑料的分選過程中，由于研究單位設(shè)備條件和分選程序設(shè)計的差異，導(dǎo)致分選效果參差不齊，采用粗略的分選程序、分選精度低的設(shè)備將導(dǎo)致極微小尺寸的微塑料的篩出率較小、分選效率低，這將對微塑料尺寸、材質(zhì)、濃度等數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果的準確性產(chǎn)生影響。

我國學(xué)者采用的微塑料的檢測方法主要有以下幾種：目視法、 電子顯微鏡、拉曼光譜、紅外光譜、熱分析法。這些方法或測量鑒別效率低下，或檢測成本高，無法應(yīng)用于大范圍調(diào)查或作為常規(guī)監(jiān)測的方法體系[20]。

因此，探討研發(fā)一套成本低、可操作性強的微塑料檢測鑒別技術(shù)可以加快推進微塑料研究的系統(tǒng)化發(fā)展。

2.3.2?完善微塑料毒理學(xué)評價指標，深入研究微塑料毒性效應(yīng)機制

一是要建立微塑料毒理學(xué)測評指標及其閾值。大量研究證實，微塑料對水生生物存在諸多毒性效應(yīng)，并會沿食物鏈積累、傳遞、放大，但在生態(tài)毒理學(xué)中缺乏關(guān)于微塑料毒理的評價指標和閾值的界定。污染物毒理評價指標及閾值是污染物評價標準中重要的一部分，故應(yīng)盡快完善微塑料毒理學(xué)體系，推動微塑料污染評價標準的建立。

二是要深入微塑料復(fù)合毒性機制的研究。目前已有較多關(guān)于微塑料單一毒性效應(yīng)機制的研究，但在實際水生生態(tài)系統(tǒng)中，微塑料常與周圍環(huán)境中的污染物以復(fù)合物的形式存在，故研究微塑料復(fù)合毒性效應(yīng)機制具有很大的現(xiàn)實意義，可為針對性治理不同水環(huán)境中微塑料污染問題提供科學(xué)依據(jù)[22]。

三是應(yīng)多學(xué)科領(lǐng)域合作探究、共同治理。由于微塑料對周圍環(huán)境物質(zhì)具有富集作用，故其在實際環(huán)境中的化學(xué)性質(zhì)復(fù)雜;微塑料的來源與歸趨受季節(jié)、洋流、地勢等多種地理因素影響;探究微塑料的生態(tài)效應(yīng)是研究微塑料污染的出發(fā)點和落腳點，故微塑料對環(huán)境中生物的影響機制是關(guān)鍵問題。綜上，水環(huán)境中微塑料污染問題是一項涉及多個學(xué)科、多個領(lǐng)域的復(fù)雜研究問題。多學(xué)科領(lǐng)域?qū)W者在水環(huán)境微塑料污染問題上達成合作共識將極大地推動研究進展，研究結(jié)果也將更具科學(xué)性與說服力。

綜上，微塑料的防治可主要從以下兩大方面入手。一是在源頭上“減塑、替塑、限塑”，以防止污染加劇。減少塑料制品的生產(chǎn)，逐漸以可降解塑料替代傳統(tǒng)塑料制品，各國出臺相關(guān)政策限制塑料制品的使用，提升世界公民的環(huán)保意識。二是完善水環(huán)境微塑料污染的治理體系，以有效監(jiān)控水域微塑料污染程度。建立水環(huán)境微塑料污染評價體系、完善微塑料研究方法體系、明確微塑料毒理學(xué)評價指標。

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（收稿日期：2020-10-18;修回日期：2020-11-09）